低功耗無線傳感器網絡節點溫室大棚監控系統的設計

高之圣，王海燕

(1.江蘇省電子產品裝備制造工程技術研究開發中心，江蘇淮安 223003；2.淮安信息職業技術學院，江蘇淮安223003）

0 引言

作物的正常生長需要適宜的溫濕度，一旦溫室大棚里的環境控制不好就容易導致作物減產，甚至病變死亡。傳統的溫室大棚種植都是通過在溫室內布置復雜的電線及相關的控制設備來實現對溫室環境的調控，這給農作物進行播種施肥等活動造成了不便，在生產活動中經常會把電線弄斷。隨著物聯網技術快速發展，將無線傳感器網絡技術應用到溫室大棚監控，省略了布線環節，避免了傳統溫室大棚所遇到的問題，同時達到了對溫室環境因子進行實時監控的要求。

1 系統總體結構設計

無線傳感器網絡節點溫室大棚監控系統拓撲圖，如圖1所示。網絡中采用傳感器測量節點和具有簡單執行控制功能的控制節點構成無線傳感器網絡。測量節點用來測量空氣溫度、濕度、光照強度等重要環境數據，控制節點用來接收計算機傳來的遠程控制信息，實現對調溫、調濕等設備進行相關控制，達到對溫室環境參數實時調控。測量節點采集的數據沿著其他測量節點通過多跳的方式進行傳輸，在傳輸過程中監測數據可能被多個測量節點處理，信息經由多條路由后到達匯聚節點，匯聚節點將接收到的數據直接上傳到計算機，所有數據都由計算機進行復雜的數字信號處理，并通過數據庫對傳感器網絡進行配置和管理，發布監測任務和收集監測數據等信息，最后這些數據還可以通過Internet與遠程控制中心進行交互，從而實現溫室環境的遠程監控。

圖1 系統拓撲結構

2 系統硬件設計

2.1 監測節點與匯聚節點的硬件結構設計

無線傳感器網絡監測節點的硬件結構如圖2所示，主要組成包含：CC2530、LCD液晶顯示模塊、溫濕度采集模塊、光照采集模塊，其中AD采樣模塊、無線射頻模塊是CC2530內部的硬件資源。

圖2 監測節點的硬件結構

在圖2中，測量節點采用ZigBee芯片CC2530作為微處理器，負責節點的通信與數據采集。選用DHT21傳感器，實現對溫室環境的溫度和濕度進行采集。選用BH1750傳感器，負責對光照度進行采集。系統采用OSAL操作系統抽象層來組織ZigBee無線通信協議，實現節點和協調器的通信。

CC2530單片機是TI公司（德州儀器）生產的一款專用于IEEE 802.15.4和ZigBee協議通信的片上系統解決方案。其RF內核是基于工業領先的射頻通信芯片CC2420。匯聚節點主要負責接收傳感節點傳來的數據，調度傳感節點的運行，實現采集數據的上傳和用戶指令。（圖3所示）

2.2 溫濕度傳感器DHT21接口電路設計

溫濕度傳感器選用的是DHT21，是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，具有較高的可靠性與穩定性。傳感器包括一個電容式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。每個DHT21傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數以程序的形式儲存在OTP內存中，傳感器內部在檢測信號的處理過程中要調用這些校準系數。單線制串行接口，使系統集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20米以上。單總線接口電路如圖4所示。

圖4 DHT21接口電路

DHT21的供電電壓為5V。傳感器上電后，要等待1s 以越過不穩定狀態，在此期間無需發送任何指令。電源引腳（VDD，GND）之間可增加一個100nF 的電容，用以去耦濾波。DATA 用于微處理器與DHT21之間的通訊和同步，采用單總線數據格式，一次通訊時間5ms左右。

2.3 BH1750光照檢測傳感器接口電路設計

BH1750FVI是一個I2C接口的數字式光照控測傳感器，具有很寬的光度探測范圍，廣泛應用在移動電話、LCD電視、筆記本電腦、數碼相機、汽車導航儀等數碼領域，BH1750環境光傳感器內置16位的模數轉換器，它能夠直接輸出一個數字信號，不需要再做復雜的計算。通過計算電壓，來獲得有效的數據。這款環境光傳感器能夠直接通過光度計來測量。光強度的單位是流明"lx"。BH1750FVI的接口電路如圖5所示。

3 系統軟件設計

系統的軟件設計主要包括：測量節點程序、匯聚節點程序、LCD12864顯示程序、傳感器數據采集程序、I2C程序、系統軟件架構等。

3.1 測量節點程序設計

傳感器測量節點的主要功能就是接收匯聚節點（協調器）采集數據的指令采集數據，然后將采集的數據通過無線信道發送出去。傳感器測量節點程序結構流程圖如圖6所示。

圖6 測量節點流程圖

3.2 匯聚節點程序設計

匯聚節點的功能就是創建無線網絡，配置網絡節點屬性，接收傳感器測量節點采集的數據，然后通過串口上傳到計算機。匯聚節點程序結構流程圖如圖7。

3.3 溫濕度采集程序

由于溫濕度采集用的是DTH21單總線結構，所以在操作時只需要定義一個微理器的IO口即可進行操作，數據采集的流程如圖8所示。

3.4 光照度驅動程序設計

光照度傳感器是I2C接口，I2C是同步通信的一種特殊形式，具有接口線少，控制方式簡單，器件封裝形式小，通信速率較高等優點。

4 測試結果與分析

圖7 匯聚節點流程圖

圖8 溫濕度采集流程如圖

圖9 測試環境

圖9為溫室測試環境，監控系統對溫室大棚的溫度、濕度進行現場監測，根據某天從溫室取回數據進行分析，監測數據如表1所示。

表1 測試結果

從表1中可以看出，測得監測點的平均溫度和濕度濃度分布穩定在18℃~30℃,85~95% RH，符合在作物黃瓜生長要求的范圍內。實踐驗證，該裝置能夠在溫室高溫、高濕的條件下良好地運行，傳感器精度達到了預期目標，可以實現對溫室環境中的各項參數進行實時精確的檢測、采集及控制，促進溫室大棚作物增產增收。

5 結論

本文結合目前我國溫室大棚的控制系統存在的問題，本文提出了基于無線傳感網絡技術設計開發的溫室大棚環境監控系統，在環境數據采集方面利用了多種傳感器檢測及自動調節，實現了溫室大棚的自動化控制。本監控系統具有低功耗、低成本、體積小、易于擴展、工作可靠等優點，目前已在淮安某鎮溫室大棚蔬菜基地投入使用，運行情況良好，大大提高了經濟效益。

[1]吉紅.自動控制在國外設施農業中的應用.[J].農業環境與發展，2007(5)：52-54

[2]白云州.基于W5100的網絡化溫室大棚環境監測系統[J].制造業自動化 2011,33(3)：20-21.

[3]王世明,王冰.現代農業溫室系統.[J].山西農業科學，2008，36(9)：69-73

[4]畢玉革,麻碩士.我國現代溫室環境控制硬件系統的應用現狀及發展[J]. 農業化研究，2009年第3期：226-229

[5] 沙國榮,趙不賄,景亮等.基于ZigBee無線傳感器網絡的溫室大棚環境測控系統設計[J].電子技術應用2012(1)：60-62.

[6] 沈娣麗,孟雅俊,路程等.基于Wi-Fi的溫室大棚監測控制系統[J].中國農機化,2012(1) 162-165.

[7]盧超.溫室大棚無線溫濕度監測裝置的設計[J].農機化研究,2011,33(7)136-140.